DE102005044030B4

DE102005044030B4 - Verfahren und Einrichtung zur Ionisationsmessung bei Verbrennungskraftmaschinen mit Unterdrückung der Zündrestspannung

Info

Publication number: DE102005044030B4
Application number: DE200510044030
Authority: DE
Inventors: Martin Herrs; Tycho Dr. Weißgerber
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: DE102005044030A1

Abstract

Verfahren zum Erfassen verbrennungsrelevanter Größen in der Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer mit einem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode, mit einem Ionisationsmesskreis und zur Ionisationsmessung mit einer wenigstens im Anschluss an die Zündung an die Zündelektrode angelegten Messspannung, wobei der Ionisationsmesskreis (30) zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss (1c) der Sekundärseite (1b) des Zündtransformators (1) und der Zündelektrode (2) geschaltet ist und zwischen einem Bezugspotential (9) und einem dem Bezugspotential (9) zugeordneten Anschluss (1d) der Sekundärseite (1b) des Zündtransformators (1) ein elektronischer Schalter (14) geschaltet ist, der durch eine Steuereinheit (12) während eines Zündimpulses zur Weiterleitung eines Zündsignals leitend geschaltet wird und zumindest während der Ionisationsmessphase sperrend geschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen verbrennungsrelevanter Größen in der Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer mit einem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode, mit einem Ionisationsmesskreis und zur Ionisationsmessung mit wenigstens einer im Anschluss an die Zündung an die Zündelektrode angelegten Meßspannung, einer Schaltung zur Erfassung verbrennungsrelevanter Größen einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Ionisationsmesseinrichtung, und mindestens einem Ionisationsmesswiderstand, der an einen Messpannungsspeicherkreis geschaltet ist oder einem Zündtransformator mit einer Schaltung zur Erfassung verbrennungsrelevanter Größen einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Ionisationsmesseinrichtung, und mindestens einem Ionisationsmesswiderstand, der an einen Messpannungsspeicherkreis geschaltet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltung zum Erfassen verbrennungsrelevanter Größen in der Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mittels einer mit dem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode, mit einem Ionisationsmesskreis, bestehend aus wenigstens einer Messspannungs-Speichereinheit und wenigstens einem Messwiderstand, und ein Verfahren zur Ermittlung verbrennungsrelevanter Größen eines Verbrennungsprozesses bei Verbrennungskraftmaschinen, bei denen einzelne Verbrennungsvorgänge durch einen Zündimpuls gestartet werden und die verbrennungsrelevanten Größen in Abhängigkeit eines durch einen Funken bedingten Ionisationssignals ermittelt werden.
Hiermit wird ein Ionisationssignal durch Anlegen einer Messspannung an die Zündelektrode gewonnen, wobei die Messspannung im Betrag kleiner als die Zündspannung ist und die im Anschluß an den Zündimpuls auftretende Restspannung der Zündspannung unterdrückt wird.
Ein Verfahren und eine Schaltung zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Verbrennungsanlage ist in der DE 198 39 868 C1 beschrieben. Hierbei wird folgend auf den Zündimpuls eine elektrische Messspannung in Form eines Prüfimpulses an die Zündelektrode gelegt. Aus der Beeinflussung des Prüfimpulses infolge der jeweiligen Ionisation wird ein Ionisationssignal abgeleitet, welches zur Bestimmung von Verbrennungsparametern, insbesondere der Luftzahl der Verbrennung genutzt wird.
Weitere Verfahren sind in EP 0 801 226 A2 und DE 196 49 278 A1 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Erfaßbarkeit des Ionisationssignals weiter zu verbessern und eine hohe Reproduzierbarkeit des Ionenstromsignals zu erhalten.
Gelöst ist obige Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4, 11, 12 oder 20. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gegeben. Bei einem Verfahren ist der Ionisationsmesskreis zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss 1c der Sekundärseite des Zündtransformators und der Zündelektrode geschaltet und zwischen dem Bezugspotential und der dem Bezugspotential zugeordneten Anschluss der Sekundärseite des Zündtransformators ein elektronischer Schalter geschaltet, der durch eine Steuereinheit während des Zündimpulses zur Weiterleitung des Zündsignals leitend geschaltet wird und zumindest während der Ionisationsmessphase sperrend geschaltet ist, bei einer Schaltung ist der Messspannungsspeicherkreis zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss der Sekundärseite des Zündtransformators und der Zündelektrode geschaltet, und ein elektronischer Schalter ist zwischen einem Bezugspotential und einem dem Bezugspotential zugeordneten Anschluss der Sekundärseite des Zündtransformators geschaltet, und bei einem Zündtransformator ist die Schaltung in diesen Zündtransformator integriert, bei einer Schaltung ist der Ionisationsmesskreis an die Zündelektrode angeschaltet und über Entkopplungsmittel vom Zündtrafo entkoppelt, und bei einem Verfahren wird in der Zündphase mit einem Zündstrom ein Spannungspotential in einer Messspannungs-Speichereinheit aufgebaut, und das Spannungspotential liegt in wenigstens einer Messphase über einem Messwiderstand an einer Zündelektrode an, wobei die Zündspannung bei Unterschreiten einer Schwellspannung von der Messspannungs-Speichereinheit oder dem Messwiderstand entkoppelt ist.
Mit dem elektronischen Schalter, der während des Zündimpulses zur Weiterleitung des Zündsignals leitend geschaltet wird und im Anschluss an den Zündimpuls zur Ionisationsmessung sperrend geschaltet wird, ist die Zündrestspannung vom Ionisationsmesskreis entkoppelt. Dieser Schalter wird von einer Zündsteuerungseinheit angesteuert, die den Ablauf der Zündung steuert.
In vorteilhafter Weise läßt sich das Verfahren auch im Zusammenspiel mit einer Zündfunkensteuerung betreiben. Die Zündspannungssteuereinheit steuert dabei die Abschaltung des Zündimpulses nach vorbestimmter Dauer, indem die Primärwicklung des Zündtransformators durch einen Kurzschluss nierderimpedant belastet wird. Die sich beim Abbau der Restenergie des Zündtrafos einstellende Spannung auf der Sekundärseite des Zündtransformators wird durch den gesperrten elektronischen Schalter nicht an den Ionisationsmesskreis weitergeleitet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung:
1: Schaltbild mit Restspannungsunterdrückung
2: Schaltbild mit Funkensteuerung
3: Schaltung
In 1 ist ein Anschluss 11 gezeigt, der die Schaltung zur Zündung und Ionisationsmessung mit der Motorsteuerelektronik verbindet. Der Anschluss 11a ist mit der positiven Versorgungsspannung, Anschluß 11c mit dem Massepotential und Anschluss 11b mit der Steuerleitung für die Zündimpulsauslösung verbunden. Die Zündsteuereinheit 12 ist an den Anschluss 11 angeschaltet und formt das Signal für die Ansteuerung des Leistungshalbleiters 13, der die Primärwicklung 1a des Zündtransformators 1 über die Pfade 10 und 9 an die Versorgungsspannung schaltet. Schaltet die Zündsteuereinheit 12 den Leistungshalbleiter 13 wieder aus, wird auf der Sekundärwicklung 1b des Zündtransformators 1 die Zündspannung induziert.
Zumindest während des Zündimpulses schaltet die Zündsteuereinheit 12 den durch einen Halbleiter gebildeten elektronischen Schalter 14 leitend, so dass der Zündstrom diesen passieren kann. Der Zündstrom passiert das Entkopplungsbauteil 5, welches als Diode ausgeführt ist, in Durchlassrichtung und lädt den Messspannungsspeicherkreis 40, der durch ein spannungsstabilisierendes Bauteil 3 parallel zu einem Kondensator 4 gebildet ist, auf. Der Zündstrom passiert des weiteren die Zündelektrode 2, die Bestandteil einer Zündkerze ist und fließt über den Massepfad 9 und den elektronischen Schalter 14 zur Sekundärwicklung des Zündtransformators zurück. Nach Beendigung des Funkenüberschlags an der Zündelektrode 2 und Abbrechen des Zündstroms schaltet die Zündsteuereinheit 12 den durch einen Halbleiter gebildeten elektronischen Schalter 14 sperrend, so dass der Einfluss der noch im Zündtransformator 1 verbleibenden Restenergie auf die nun folgende Ionisationsmessung unterdrückt wird und somit die Zündrestspannung vom Ionisationsmesskreis 30 abgekoppelt ist.
Die Ionisationsmessung vollzieht sich im Ionisationsmesskreis 30, in dem der durch den Zündimpuls aufgeladene Messspannungsspeicherkreis 40, gebildet durch die Elemente 3 und 4, die Messspannung über die Ionisationsmesswiderstände 6 und 7 an die Zündelektrode anlegt.
In der Verbrennungsphase wird das Plasma im Brennraum zwischen der Zündelektrode 2 und der Brennraummasse elektrisch leitfähig, es fließt ein Ionisationsstrom, der als Spannungsabfall über die Widerstände 6 und 7 gemessen werden kann. An Anschluss 8 ist während der Ionisationsmessphase eine dem Ionisationsstrom proportionale Spannung abgreifbar, während des Zündvorganges ist an Anschluss 8 eine der Zündspannung proportionale Spannung abgreifbar.
2 zeigt ein Schaltbild mit der Möglichkeit zur Funkensteuerung. Mit Hilfe einer Funkensteuerung besteht die Möglichkeit, die im Zündtransformator 1 befindliche Restenergie während der Zündung durch eine an den Zündtransformator 1 angeschaltete Senke so gesteuert abzuleiten, dass der Zündfunke erlischt. Damit wird dem Brennraum 61 zur Zündung des Gemisches eine definierte Zündenergie bei einer definierten Brenndauer des Zündfunkens zugeführt. Als vorteilhafte Ausführung sind zwei Leistungshalbleiter 20 und 14 im Primärstrompfad 21 des Zündtransformators 1 verschaltet.
Zur Einbringung von Energie in den Zündtransformator 1 werden durch die Zündsteuereinheit beide Leistungshalbleiter 20 und 14 leitend geschaltet, der Primärstrom passiert dabei auch die im Primärstrompfad 21 befindliche Diode 23. Zur Erzeugung der Zündspannung wird im Anschluss daran der Leistungshalbleiter 20 sperrend geschaltet, die Sekundärwicklung des Zündtransformators wird durch den leitend geschalteten Leistungshalbleiter 14 an Bezugspotential gelegt, und die induzierte Zündspannung wird über die Ionisationsmessschaltung 30 zur Zündelektrode 2 geleitet. Zur Beendigung des Zündfunkenbrennens wird durch die Zündsteuereinheit 12 der Leistungshalbleiter 14 gesperrt und der Leistungshalbleiter 20 leitend geschaltet. Die Diode 22 und der Leistungshalbleiter 20 bilden einen Kurzschluss für die Restenergie des Zündtransformators 1. Der gesperrte Leistungshalbleiter 14 entkoppelt dann den Zündtransformator 1 von der Ionisationsmessschaltung 30 und die folgende Ionisationsmessung wird sehr exakt.
Der Widerstand 24 kompensiert eine Signalverfälschung durch parasitäre Kapazitäten parallel zur Schaltstrecke des Leistungshalbleiters 14.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung bei der Ansteuerung der Leistungshalbleiter 14 und 20 durch die Zündsteuerung 12 erfolgt in der Funkenausschaltphase die Sperrung des Leistungshalbleiters 14 eine kurze Zeitspanne vor Öffnung des Leistungshalbleiters 20; die parasitäre Kapazität des Leistungshalbleiters 14 wird dabei vorgeladen.
In 3 ist der Ionisationsmesskreis durch Entkopplungsmittel 5, 62 vom Zündtransformator 1 entkoppelt. Der während des Funkenüberschlages durch die Zündelektrode 2 fließende Zündstrom passiert die Entkopplungsmittel 5, 62 und lädt den Messspannungs-Speicher 3, 4 im Ionisationsmesskreis auf. Nach Beendigung des Funkenüberschlages entkoppeln die Entkopplungsmittel 5, 62 den Ionisationsmesskreis, bestehend aus dem Kondensator 4, dem Varistor 3, einem Vorwiderstand 6 und einem Messwiderstand 7, von der Zündrestspannung.
Der Ionisationsmesskreis besteht dazu aus mindestens einer Messspannungs-Speichereinheit 3, 4, einem Ionisationsmesswiderstand 6, 7 und der im Brennraum 61 angeordneten Zündelektrode 2, die als Ionisationssensor verwendet wird.
Die Messspannungs-Speichereinheit 3, 4 besteht in vorteilhafter Weise aus der Parallelschaltung eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere Kondensators 4, und einem spannungsbegrenzenden Bauteil, insbesondere Varistor 3 oder Zenerdiode.
In der Phase, in der der Zündstrom fließt, wird die Messspannungs-Speichereinheit 3, 4 über den Zündstrom auf- bzw. nachgeladen, die Ladespannung wird mit Hilfe des spannungsbegrenzenden Bauteils 3 auf dessen Schwellwert stabilisiert.
In der nachfolgenden Verbrennungsphase liegt die aufgeladene Messspannungs-Speichereinheit 3, 4 über einer Messwiderstandskombination 6, 7 an der Zündelektrode 2 an. Ein dem Ionisationsstrom proportionaler Spannungsabfall kann als Ionisationssignal am Messwiderstand 7 abgegriffen und weiterverarbeitet werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Messwiderstandskombination ist die Reihenschaltung von Widerständen 6, 7 zur Erhöhung der Gesamtimpedanz, wobei das Ionisationssignal in vorteilhafter Weise über dem an Schaltungsmasse angeschalteten Widerstand 7 abgegriffen wird.
Dieses Ionisationssignal wird im folgenden in der Auswerteeinheit 50 weiterverarbeitet. Hier kann es auch hinsichtlich verbrennungsrelevanter Größen ausgewertet werden.
Ein Entkopplungsmittel entkoppelt den Einfluss der Zündrestspannung vom Ionisationsmesskreis, in dem in vorteilhafter Weise der Ionisationsmesskreis über ein spannungsbegrenzendes Bauteil 5 vom Zündtransformator 1 getrennt ist. Des Weiteren können auch Bauteile parallel zur Sekundär- oder Primärseite des Zündtransformators 1 geschaltet werden, die ein Abklingen der Zündrestspannung beschleunigen. Dies geschieht in vorteilhafter Weise durch den Widerstand 62.
Die Diode 60 in Reihe mit der Sekundärwicklung 1b des Zündtransformators 1 sperrt positives Potential am Ausgang des Zündtransformators 1, welches sich ohne die Diode schon beim Anlegen der Primärspannung an die Primärwicklung 1a des Zündtransformators 1 einstellen würde, was aber unerwünscht ist.

Claims

Verfahren zum Erfassen verbrennungsrelevanter Größen in der Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer mit einem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode, mit einem Ionisationsmesskreis und zur Ionisationsmessung mit einer wenigstens im Anschluss an die Zündung an die Zündelektrode angelegten Messspannung, wobei der Ionisationsmesskreis (30) zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss (1c) der Sekundärseite (1b) des Zündtransformators (1) und der Zündelektrode (2) geschaltet ist und zwischen einem Bezugspotential (9) und einem dem Bezugspotential (9) zugeordneten Anschluss (1d) der Sekundärseite (1b) des Zündtransformators (1) ein elektronischer Schalter (14) geschaltet ist, der durch eine Steuereinheit (12) während eines Zündimpulses zur Weiterleitung eines Zündsignals leitend geschaltet wird und zumindest während der Ionisationsmessphase sperrend geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend den Verfahrensschritt, dass die Steuereinheit (12) den elektronischen Schalter (14) zumindest während der Dauer der Abschaltung des Zündimpulses sperrend schaltet, wobei die Steuerelektronik mit Mitteln (20, 22) zur Abschaltung des Zündimpulses durch niederimpedante Belastung der Primärwicklung (1a) des Zündtransformators (1) ausgestattet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, enthaltend den Verfahrensschritt, dass die Steuereinheit (12) den elektronischen Schalter (14) schon kurz vor der Abschaltung des Zündimpulses sperrend schaltet.
Schaltung zur Erfassung verbrennungsrelevanter Größen einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Ionisationsmesseinrichtung, und mindestens einem Ionisationsmesswiderstand, der an einen Messspannungsspeicherkreis geschaltet ist, wobei der Messspannungsspeicherkreis (40) zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss (1c) der Sekundärseite (1b) eines Zündtransformators (1) und einer Zündelektrode (2) geschaltet ist und ein elektronischer Schalter (14) zwischen einem Bezugspotential (9) und dem dem Bezugspotential (9) zugeordneten Anschluss (1d) der Sekundärseite (1b) des Zündtransformators (1) geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei eine weitere Entkoppeleinrichtung (5) zwischen dem die Zündspannung führenden Anschluss (1c) der Sekundärseite (1b) des Zündtransformators (1) und der Ionisationsmessschaltung (30) geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Entkoppeleinrichtung (5) eine Diode, eine Zenerdiode, ein Varistor oder eine Kombination dieser Bauteile ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Messspannungsspeicherkreis (40) aus einer Parallelschaltung eines spannungsstabilisierenden Bauelementes (3) und einem spannungsspeichernden Bauelement (4) besteht.
Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der elektronische Schalter (14) über Koppelbauelemente (23) an den Strompfad (21) des Primärkreises des Zündtransformators (1) angekoppelt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei zwischen dem dem Bezugspotential (9) zugeordneten Anschluss (1d) der Sekundärseite (1b) des Zündtransformators (1) und dem Ionisationsmessausgang (8) ein Koppelelement (24) zur Kompensation geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 9, wobei das Koppelelement (24) ein Widerstand, eine Widerstands- und Kondensator-Kombination oder eine Verstärkerstufe ist.
Zündtransformator mit einer Schaltung zur Erfassung verbrennungsrelevanter Größen einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Ionisationsmesseinrichtung, und mindestens einem Ionisationsmesswiderstand, der an einen Messspannungsspeicherkreis geschaltet ist, wobei der Messspannungsspeicherkreis (40) zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss (1c) der Sekundärseite (1b) eines Zündtransformators (1) und einer Zündelektrode (2) geschaltet ist und ein elektronischer Schalter (14) zwischen einem Bezugspotential (9) und dem dem Bezugspotential (9) zugeordneten Anschluss (1d) der Sekundärseite (1b) des Zündtransformators (1) geschaltet ist.
Schaltung zum Erfassen verbrennungsrelevanter Größen in der Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mittels einer mit einem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode, mit einem Ionisationsmesskreis, bestehend aus. wenigstens einem Messwiderstand, wobei der Ionisationsmesskreis wenigstens eine Messspannungs-Speichereinheit (3, 4) aufweist, an die Zündelektrode (2) angeschaltet ist und über Entkopplungsmittel (5, 3) vom Zündtransformator (1) entkoppelt ist, wobei die Messspannungs-Speichereinheit (3, 4) durch den Zündimpuls aufladbar ist und anschließend die durch den Zündimpuls aufgeladene Messspannung für den Ionisationsmesskreis zur Verfügung stellt.
Schaltung nach Anspruch 12, wobei der Messspannungsspeicherkreis (40) aus einer elektrische Energie speichernden Komponente (4) und einer spannungsbegrenzenden Komponente (3) besteht.
Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 oder 13, wobei die elektrische Energie speichernde Komponente (4) ein Kondensator ist.
Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, wobei die spannungsbegrenzende Komponente (3) ein Varistor oder eine Zenerdiode ist.
Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Messwiderstand (7) auch als Reihenschaltung von Widerständen ausgeführt sein kann.
Schaltung nach Anspruch 12, wobei das Entkopplungsmittel (3, 4) aus einer spannungsbegrenzenden Komponente besteht.
Schaltung nach Anspruch 17, wobei die spannungsbegrenzende Komponente (3) ein Varistor, eine Zenerdiode, eine Funkenstrecke oder ein Gasableiter ist.
Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 18, wobei zur Dämpfung des Ausschwingverhaltens des Zündtransformators (1) das Entkopplungsmittel (5, 3) einen dem Zündtransformator (1) parallelgeschalteten Widerstand (62) beinhaltet.
Verfahren zur Ermittlung verbrennungsrelevanter Größen eines Verbrennungsprozesses bei Verbrennungskraftmaschinen, bei denen einzelne Verbrennungsvorgänge durch einen Zündimpuls gestartet werden und die verbrennungsrelevanten Größen in Abhängigkeit eines durch die Flamme bedingten Ionisationssignals ermittelt werden, enthaltend die Verfahrensschritte, Aufbauen eines Spannungspotenzials in einer Messspannungs-Speichereinheit (3, 4) während der Zündphase mit einem Zündstrom, und Anlegen des aufgebauten Spannungspotentials in wenigstens einer Messphase über einem Messwiderstand (7) an einer Zündelektrode (2), wobei bei Unterschreiten der Zündspannung unter eine Schwellspannung die Messspannungs-Speichereinheit (3, 4) oder der Messwiderstand (7) von der Zündspannung entkoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 20, enthaltend den Verfahrensschritt, dass die dem Ionisationssignal proportionale Spannung an einem der Widerstände abgegriffen wird und an eine Auswerteeinheit (50) weitergeleitet wird.